光镊技术在生命科学中的应用前景

高通量测序技术的发展及其在生命科学中的应用

杜玲１，２，刘刚２，陆健２，３，刘丑生２，哈福１

（１．云南农业大学动物科技学院，云南昆明　６５００００；２．全国畜牧总站畜禽遗传资源保存利用中心，北京　１００１９３；

３．中国农业大学动物科学技术学院，北京１００１９３）

摘要：ＤＮＡ测序技术从以Ｓａｎｇｅｒ法为代表的第一代测序技术到如今的高通量测序（ＨＴＳ）技术，经历了漫长而曲折的发

展过程，如今该技术在动植物基因组的研究中获得了很大的成功，它的问世可以使人们以更低廉的价格，更全面、更深入地对

全基因组进行分析。作者阐述了几种关于ＨＴＳ的测序技术平台：Ｒｏｃｈｅ／４５４测序技术、ＡＢＩ／ＳＯＬＩＤ测序技术、Ｉｌｌｕｍｉｎａ／Ｓｏｌ－

ｅｘａ测序技术、单分子测序技术及Ｉｏｎ　Ｔｏｒｒｅｎｔ测序技术，并且还归纳了ＨＴＳ在基因组学、转录组学及表观基因组学等方面的

应用。

关键词：高通量测序技术；基因组学；转录组学；应用

中图分类号：Ｑ７８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－７２３６（２０１４）１２－０１０９－０７

收稿日期：２０１４－０６－０５作者简介：杜玲（１９９０－），女，河南人，硕士，研究方向：动物遗传育种与繁殖。通信作者：刘丑生（１９６４－），男，甘肃人，研究员，博士，主要从事动物遗传资源保护和利用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｃｈｏｕｓｈｅｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ哈福（１９７２－），男，宁夏人，副教授，主要从事动物繁殖学研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｆｕ＠ｓｉｎａ．ｖｉｐ．ｃｏｍ基金项目：物种资源保护畜禽种质资源保护项目资金（农财发［２０１４］３５号）；家养动物种质资源平台运行服务项目（２０１４）；中央高校基本科研业务费专项资金（［２０１４］

ＢＨ００５）。 三十多年前，Ｓａｎｇｅｒ首次建立了ＤＮＡ双脱氧

测序技术，完成了第一个完整基因组图谱的绘制

（Ｓａｎｇｅｒ等，１９７８）。时至今日，由于ＤＮＡ测序技术

的改进（Ｓｃｈｕｓｔｅｒ，２００８），测序的规模也从以往每天

基因芯片技术在生命科学研竞中的应用进展及前景分析　

龙昭均　

（周口师范学院生命科学与农学学院　河南周口４６６０００）　

摘要：基因芯片技术作为“后基因组时代”基因功能分析研究的一个重要组成部分，其在生命科学研究中具有广泛的应用。本　

文在介绍基因芯片技术的基础上，就其在生命科学研究领域的中应用进展及前景进行了分析。　

关键词：基因芯片技术；生命科学研究；应用进展；前景分析　

自上世纪八十年起，由多个多家共同参加的人类基因组计　

划，实现了对人类认识自身、推动生命科学、提高健康水平，促　

进了生物技术、医学、制药业以及农业等的发展。人类基因组计　

划已与阿波罗登月计划、曼哈顿原子计划组成了二十世纪人类的　

三大科学计划。随着人类基因组计划实施与推进，基因芯片技术　

日渐形成与发展，其有效的推动了系统生物学研究和功能基因组　

的发展，并广泛的应用于生命科学研究之中，已成为“后基因组　

时代”基因功能分析研究的一个重要组成部分。　

一、基因芯片技术概述　

对于基因芯片来说，又称ＤＮＡ微阵列，是把大量已知序列　

探针集成在同一个基片，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特　

定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中　

大量的基因信息进行分析【１］。基因芯片可通过点样法和原位合成　

法进行制备，并且其具有自动化、多样化、微型化以及高度并行　

性特点。　

作为～种高新生物技术，基因芯片技术以大规模集成电路制　

造技术为核心，并结合了激光共聚焦扫描技术、分子生物学技术、　

荧光标记探针杂交技术以及计算机技术等。通过基因芯片技术，　

在固相基质中将大量ＤＮＡ探针进行固定，使其与待测的经标记　

的ＤＮＡ样品进行杂交，便能够将数以万计的基因表现形式记录　

下来，且每次试验仅需一次。　

二、基因芯片技术在生命科学研究中实践应用　

正由于基因芯片技术自身独特特点和功能，使其在生命科学　

研究中具有较为广泛的应用实践［　，例如ＤＮＡ测序、疾病的基　

因诊断与药物设计、单核苷酸多态性分析及基因突变的检测、基　

图ｌＡ．ＡｓｈｋｉＩｌ在实验室特别报道Ｉ光镊技术

光镊研究与产业现状

采写编辑：谢婧

士黑纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目］木标。光镊是利用光与物质问动量的传递的力学

效应而形成的三维梯度光学势阱，是一种可以对活细

胞和其他微小物体进行无损伤和非接触性操控的工

具。它是建立在光辐射压原理的基础上的。

早在１６１９年开普勒就

曾经提出，光可能有“机械

效应”，麦克斯韦在１８７３

年、爱因斯坦在１９１７年都

对光辐射压理论做过重要

贡献。到了１９６６年，索格金

等人发明的可调染料激光

器则为进一步探讨“光的机光镊将细胞从正常

位置移去的能力，为

我们打开了精确研

究细胞功能的大门ｏ．

——Ａ．Ａｓｈｋｉｎ

械特性”和促进其应用提供了条件。２０世纪７０年代，

美国贝尔实验室的学者Ａ．Ａｓｈｋｉｎ（图１）和他的同事

在对光子与中性原子的相互作用进行研究时，利用高

聚焦单光束成功束缚了水中的乳胶微粒，将辐射压的

应用从原子量级扩展到了微米量级。在此基础上，

Ａｓｈｋｉｎ又成功设计了双光束光学势阱，初步实现了利

用光压操纵微粒的想法。合作研究者朱棣文等还因为

利用光压原理发展了激光冷却和囚禁原子的方法获

得了１９９７年的诺贝尔物理奖。１９８６年Ａｓｈｌｄｎ把单光

束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证

明其可以在基本不影响周围环境的情况下对捕获物

进行亚接触性、无损活体操作，并形象地称其为光镊。

１９８６年问世后光镊技术发展迅速，针对不同种类

激光束产生的光镊研究越来越全面，光镊的应用范围

也越来越广（图２）。

纳米科学和生命科学被认为是２１世纪很有发展

前途的领域，纳米生物学正是这两大领域的交叉产

物，其研究的纳米生物体系主要是生物大分子及其复

合体。光镊的发明使在单个生物大分子及其复合体层

面上对生命活动进行研究成为可能。正如Ａｓｈｋｉｎ所

说，光镊“为我们打开了精确研究细胞功能的大门”，在生命科学以及介观物理学领域得到了迅速应用并

显示出了广阔的应用前景。应用于纳米层面的光镊的

内燃机与配件

0引言1669年，牛顿提出光的“微粒说”，他认为光是从光源

发出的一种光微粒流，具有直线传播的特性，这是人类对

光的粒子性的最早认知。1905年，基于普朗克的量子假

说，爱因斯坦在一种全新的物理意义上提出了光子学说以

及光的波粒二象性，合理地解释了光与物质相互作用的一

些现象。20世纪60年代，激光的问世为人们研究光与物

质的相互作用提供了一种崭新的光源，为光镊的诞生埋下

伏笔。1970年，A.Ashkin利用两束相向传播的聚焦光束成

功地束缚住了在水中的电介质微粒。1986年，A.Ashkin只

利用了一束聚焦良好的激光就实现了对水中电介质微粒

的稳定捕获，这标志这光镊的诞生。

光子具有一定的能量和动量，而光镊充分体现了光的

这一特性。光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来

俘获，操纵和控制微小颗粒的一项技术。从1986年到今

天，光镊技术不断发展升级，不仅促进了多种学科的发展，

而且在生物学，物理学等领域发挥着越来越多不可替代的

作用。本文将介绍光镊的基本原理，装置构造，以及分类；

讨论光镊应用的优势与不足，并做出相应的前景展望与改

进；回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展；最后

将分析光镊未来的发展趋势。1光镊简介

1.1基本原理

光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，研究微粒

在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学（RO）近似

模型和电磁（EM）模型。RO模型理论适用于几何尺寸远大

于波长的微粒，EM模型适用与尺寸小于波长的微粒。

图1左院光镊原理示意图袁右院

小球在光镊中的受力示意图

光是一种电磁波，其内部震荡的电场会使照射物内形

成电流。电流在光的磁场中形成安培力，称之为光压（或光

的辐射力）。如图1所示，光的辐射力根据其效果可以分为两种：一种是推动目标沿光的传播方向的散射力

（ScatteringForce），另一种是往光强密度高拉动目标的梯

度力（GradientForce）。

如图1所示，用TEM00的激光照射一个小球，距离光